【技術前沿】空間轉錄組測序技術的展望

對生命過程的理解不光限于對組成個體的單個細胞的研究，更需要對細胞和細胞之間怎么樣的互作協調來完成一個整體的生物學功能的研究。空間組學技術的興起，使得在保留樣本空間位置信息的同時，檢測細胞中的基因表達等分子信息來勾勒出空間中的細胞表達特征。在2019年《Nature Reviews Genetics》的一篇Research Highlights中，“Spatial transcriptomics coming of age”的標題體現了空間轉錄組技術在接下來的生命科學研究中的重要性。

空間轉錄組測序技術的關鍵詞是兩個：“空間”和“測序”。這兩個問題解決了，所有的問題就迎刃而解。其中，“測序”相對來說比較簡單，現有高通量二代測序技術已非常成熟，測序成本也已經非常非常低，對于微量核酸轉錄的定量也通過添加UMI方式得到很好的解決。而解決“空間”這個問題，這些年的研究進展主要集中在兩個方向：

一類是精確定位的技術，即通過在特定空間位置上定位某個細胞，將其細胞中的mRNA進行捕獲，后續通過scRNA-seq實現轉錄組測序。如2014年《Nature Methods》上的TIVA(transcriptome in vivo analysis) tag技術。而后續在2017年《Nature Protocols》上由國內科學家發明的基于激光捕獲（LCM ,laser capture microdissection）的Geo-seq技術。這類技術的特點是對空間位置的細胞精確定位捕獲，然后對單個細胞進行轉錄組測序。因此，從效果上來說靈活性高，但捕獲過程需要特定儀器和操作技能。

另一類是基于整體空間位置捕獲，并進行高通量轉錄組測序。如2016年《Science》上的ST（spatial transcriptomics）技術。該方法通過芯片對組織結構進行H&E染色，隨后通過芯片上的捕獲探針進行RNA捕獲和標記，后續的高通量轉錄組測序后，將數據回歸到組織中實現整體組織的全局檢測。這種方式能最大程度地保留空間信息，又能最大限度檢測轉錄信息。該方法這幾年的不斷提升和優化使得在2019下半年，10X Genomics的Visium產品的橫空出世。



Visium產品是在6.5 X 6.5mm區域的芯片上，設置了約5000個55 um直徑的捕獲點，每張芯片由4個空間點陣可同時進行4個冰凍切片實驗。芯片上的捕獲探針類似10X 單細胞技術，以空間barcode進行位置標記，UMI進行分子計數。通過對捕獲的RNAs進行類似scRNA-seq和數據分析，將數據映射回組織區域上。Visium產品是目前市場上唯一一款可針對普通客戶使用的空間轉錄組測序產品。